金工实训教程实训专题11

【实训目的及要求】

◆了解特种加工方法的产生背景、工艺特点及种类。◆掌握电火花成形加工和数控电火花线切割加工的基本操作。◆了解其它特种加工方法的工作原理、特点和应用范围。【实训安全事项】

◆首次使用特种加工设备时，必须在实训老师的指导下进行操作。◆开机时应当先检查电源连接线、控制线及电源电压，确认安全后方可开始操作；在装夹工件或测量工件时必须断电停机，防止发生触电事故。◆加强对加工过程中的强光、强电流的防护，不能用手同时触摸电火花加工的两个电极，不能裸眼直视激光加工区域。◆电解液有较强的腐蚀性，工作时要有相应的防护措施和防护用品；使用后的电解液必须妥善回收处理，不可随意倾倒和储存，防止严重污染环境。11.0实训典型案例

典型案例1

：凹形字母和凹形图样的电火花成型实训操作根据产品图纸，用电火花成型方法在工件上刻蚀凹形字母和凹形图样，凹陷的深度为5mm。在实训老师的指导下完成本案例的实训操作，并完成《金工实训报告》。

典型案例2：钳工样板零件的线切割加工实训操作根据产品图纸，用线切割成型方法切割制作钳工样板零件，铁板的厚度为2mm。在实训老师的指导下完成本案例的实训操作，并完成《金工实训报告》。11.1概述

11.1.1特种加工的产生背景随着生产技术的发展，许多现代工业产品要求具有高强度、高速度、耐高温、耐低温、耐高压等特殊性能，需要采用一些新材料、新结构来制作相应的产品零件，从而给机械加工提出了许多新问题，如：高强度合金钢、耐热钢、钛合金、硬质合金等难加工材料的加工问题，陶瓷、玻璃、人造金刚石、硅片等非金属材料的加工问题，极高精度、极高表面粗糙度要求的表面加工问题，复杂型面、薄壁、小孔、窄缝等特殊结构零件的加工问题，等等。这些不断遇到的生产过程中的诸多问题如果仍然采用传统的切削加工方法，由于受切削加工工艺特点的局限往往十分困难，不仅效率低、成本高，而且很难达到零件的技术要求，甚至有时无法实现加工。现代科学技术的进步为解决上述问题提供了可能与手段，特种加工工艺正是在这种新需求的新形势下，逐渐产生和迅速发展起来的。

11.1.2特种加工的特点特种加工工艺是指利用电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等各种能量直接进行加工的方法。相对于传统的切削加工方法而言，特种加工又称为非传统加工工艺，它具有以下特点：

1.“以柔克刚”：在特种加工生产过程中，使用的工具与被加工对象基本不发生刚性接触，因此工具材料的性能不受被加工对象的强度、硬度等制约，甚至可以使用石墨、紫铜等极软的工具来加工超硬脆材料和精密微细零件；

2.应力较小：特种加工时主要采用电、光、化学、电化学、超声、激光等能量去除多余材料，而不是依靠机械力与变形切除多余材料，故特种加工时的应力较小；

3.切屑较少：特种加工的加工机理不同于普通金属切削加工，生产过程中不产生宏观切屑，不产生强烈的弹、塑性变形，可以获得极高的表面粗糙度，加工时工具对加工对象的机械作用力、加工后的残余应力、冷作硬化现象、加工热等的影响程度也远比一般金属切削加工小；

4.适应性强：特种加工的加工能量易于控制和转换，故加工范围广，适应性强。

11.1.3特种加工的分类按照所利用的能量形式，特种加工可分为以下几类:

1.电、热能特种加工：电火花加工、电子束加工、等离子弧加工；

2.电、机械能特种加工：电解加工、电解抛光；

3.电、化学、机械能特种加工：电解磨削、电解珩磨、阳极机械磨削；

4.光、热能特种加工：激光加工；

5.化学能特种加工：化学加工、化学抛光；

6.声、机械能特种加工：超声波加工；

7.液、气、机械能特种加工：磨料喷射加工、磨料流加工、液体喷射加工。近年来，多种能量新的复合加工方法正在不断出现，值得注意的是，将两种以上的不同能量形式和工作原理结合在一起，可以取长补短获得很好的加工效果。表11-1特种加工方法所适用的被加工工件材料

材料加工方法铝钢高合金钢钛合金耐火材料塑料陶瓷玻璃电火花加工△○○○□×××电子束加工△△△△○△○△等离子弧加工○○○△□□××激光加工△△△△○△○△电解加工△○○△△×××化学加工○○△△□□□△超声加工□△□△○△○○磨料喷射加工△△○△○△○○注：○—好；△—尚好；□—不好；×—不适用11.2电火花成形加工

11.2.1电火花成形加工原理电火花成形加工是利用工具电极与工件电极之间的脉冲放电现象，对工件材料产生电腐蚀来进行加工的。图11-1所示为电火花成形加工的基本原理：加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两电极均浸入绝缘的煤油中；在放电间隙自动进给调节装置的控制下，工具电极向工件电极缓慢靠近；当两电极靠近到一定距离时，电极之间最近点处的煤油介质被击穿，形成放电通道，由于该通道的截面积很小，放电时间极短，电流密度很高，能量高度集中，在放电区产生高温，致使工件产生局部熔化和气化向四处飞溅，蚀除物被抛出工件表面，形成一个小凹坑；下一瞬间，第二个脉冲紧接着在两电极之间的新的另一最近点处击穿煤油介质，再次产生瞬间放电加工，……；如此循环重复上述过程，在工件上即可复印留下与工具电极相应的凹陷轮廓，形成所需的加工表面，同时工具电极也会因放电而产生局部损耗。图11-1电火花成形加工原理

电火花加工时的表面局部放大图如图11-2所示，显而易见，电火花成型加工出的零件表面，是由无数个小坑所组成。电火花加工脉冲电源的矩形波电压波形如图11-3所示。图11-2电火花加工表面局部放大图图11-3脉冲电源的矩形波电压波形

11.2.2电火花成形加工机床

电火花成形加工机床由主轴头、电源控制柜、床身、立柱、工作台及工作液槽等部分组成，如图11-4(a)所示为分离式电火花成形加工机床，如图11-4(b)所示为整体式电火花成形加工机床，它们的区别在于后者将油箱与电源箱放入机床的内部，成为一个整体，使结构更为紧凑。图11-4电火花成形加工机床

11.2.3工具电极

1.工具电极的种类电火花成形加工时，常用的工具电极材料有石墨和紫铜两种，工具电极的形状与被加工零件的形状相匹配，工具电极的尺寸为：工具电极尺寸=工件内腔尺寸--2×火花间隙

2.工具电极的安装和调整工具电极安装时，可借助电极套筒、电极柄、钻夹头、U形夹头、管状电极夹头等辅助工具，将不同类型的工具电极相应夹紧在电火花成型机的主轴上。工具电极安装牢固后，还需要进行调整和定位找正，使工具电极的轴心线与电火花成形机的工作台面垂直，还要使工具电极在X、y方向与工件有一正确位置。

图11-5用百分表校正工具电极的平行度11.2.4脉冲参数的选择加工型腔模具时，必需按加工规范选择合适的脉冲参数。脉冲参数除脉冲电压(峰值电压)外，还包括脉冲宽度、间隔时间、峰值电流等。脉冲参数的选择是否得当，直接影响着电火花成形加工的加工速度、表面粗糙度、电极损耗、加工精度和表面层的变化。加工规范的转换分为粗、中、精三挡。粗档加工时，脉冲宽度ti选500～1200us，脉冲间隔约在100～200us之间，其判断方法是：只要能稳定加工、不拉弧，则可以取较小值。加工电流应按加工面积的大小而定，但应使峰值电流ic符合电极低损耗的保证条件：ic/ti≤0.01A／μs

中档加工时，一般脉冲宽度选在30～400μs。有时粗档与中档并无严格区别，也可通过改变加工电流大小来改变放电间隙和改变所达到的表面粗糙度。精加工是在粗、中档加工后进行的精修加工，一般余量在0.02～0.2mm之间，表面粗糙度在Ra=3.2um之内。由于在精加工时的电极损耗较大，可达20％左右，故在对电极尺寸、型腔尺寸有严格要求的加工场合，应选较小的余量。精加工的脉冲宽度应小于20us，峰值电流应小于5A，以能保证被加工工件所需的表面粗糙度为准。11.2.5电火花成形加工的特点电火花成形加工的特点主要有：

1.可用较软的工具电极加工较硬的工件

2.可实现复杂型面和特殊形状的加工

3.可实现易变形零件及精密零件的加工

4.加工生产效率较低

5.工件表面存在电蚀硬层

11.2.6电火花成形加工的应用电火花成形加工主要用于型孔、型腔的加工，其常见的加工类型如下：

1.型腔加工电火花成形的型腔加工，主要用于锻模、挤压模、压铸模等。型腔加工时，工具电极必需按照被加工零件的图纸要求进行合理制造；

2.穿孔加工电火花成形的穿孔加工，也可以加工各种形状的孔，如：圆孔、方孔、多边型孔、异形孔等，被加工小孔的直径可达0.1～lmm，甚至可以加工直径小于0.1mm的微孔，如拉丝模孔、喷咀孔、喷丝孔等。11.3数控电火花线切割加工

11.3.2电火花线切割加工设备按照控制系统的类型来分，电火花线切割加工可分为靠模仿形线切割、光电跟踪线切割和数字控制线切割等三类。现代电火花线切割加工绝大部分都是数控电火花线切割加工。按照电极丝运动的快慢来分，电火花线切割加工可分为快速走丝线切割和慢速走丝线切割两大类，或称为高速走丝线切割和低速走丝线切割两大类。图11-6CKX-2AJ线切割机床外形简图

11.3.3数控电火花线切割的编程方法我国在数控快走丝线切割机床中一般采用B指令格式编程，B指令格式又分为3B格式、4B格式、5B格式等，其中以3B格式为最常用的格式；在数控慢走丝线切割机床中，则通常采用国际通用的G(ISO)指令代码格式编程。数控电火花线切割的编程方法有手工编程和自动编程两种，学习和掌握3B指令格式手工编程是数控电火花线切割编程的基本功。

1．3B指令格式

3B指令格式为：BXBYBJGZ

式中：BX、BY为坐标指令字，BJ为计数长度指令字，G为计数方向指令字，Z为加工指令字。具体规定如下：

1)分隔符B：

2)轴坐标值X、Y：

3)计数长度J：

4)计数方向G：

5)加工指令Z：

2．3B指令手工编程示例数控线切割编程时，应将被加工图形分解为若干圆弧段与直线段，然后按加工顺序依次编写加工程序。以图11-9所示的线切割零件为例，因为该图形由3条直线段和3条圆弧段连接组成，所以应分为6段编写加工程序：

1)加工圆弧AB：以该圆弧圆心O为坐标原点，经计算圆弧起点A的坐标为X=10mm，Y=0。程序为：B10000B0B020000GYSR2

2)加工直线段BC：以起点B为坐标原点，BC与Y轴负方向重合。程序为：B0B30000B030000GYL4

3)加工圆弧CD：以该圆心O为坐标原点，经计算圆弧起点C的坐标为X=0，Y=10。程序为：B0Bl0000B020000GXSRl

4)加工直线段DE：以起点D为坐标原点，DE与X轴负方向重合。程序为：B20000B0B020000GXL3图11-9线切割零件简图5)加工圆弧EF：以该圆弧圆心为坐标原点，经过计算圆弧起点E对圆心的坐标为X=0，y=10。程序为：B0Bl0000B020000GXSR3

6)加工直线段FA：以起点F为坐标原点，FA与Y轴正方向重合。程序为：B0B30000B030000GYL2

经整理后，该零件的数控线切割加工程序单如下所示：序号BXBYBJGZ1B10000B0B020000GYSR22B0B30000B030000GYL43B0B10000B020000GXSR14B20000B0B020000GXL35B0B10000B020000GXSR36B0B30000B030000GYL27E

3．ISO代码指令格式

ISO代码是指国际标准化组织制定的通用数控编程代码指、令格式，对数控电火花线切割而言，程序段的格式为：

N××××G××X××××××Y××××××I××××××J××××××

其中：N为程序段号，后接4位阿拉伯数字，表示程序段的顺序号；G为准备功能，后接2位阿拉伯数字，表示线切割加工的各种内容和操作方式，其指令功能如表11-2所示；X、Y为直线或圆弧的终点坐标值，后接6位阿拉伯数字，以μm为单位；I、J表示圆弧的圆心对圆弧起点的坐标值，后接6位阿拉伯数字，以μm为单位。表11-2常用的准备功能指令

4．ISO代码指令格式编程示例例：试用G代码编写如图11-10所示五角星的线切割加工程序（暂不考虑电极丝的直径及放电间隙的影响）。图11-10五角星零件简图该五角星零件的G代码数控电火花线切割加工程序单如下：程序段号程序段内容程序段结束程序段说明N0010G90；采用绝对方式编程N0020T84T86；开启冷却液，开启走丝N0030G92X0Y0；设定当前电极丝的位置为0，0）N0040G00X5Y134；电极丝快移至A点N0050G01X75Y134；AB，线切割加工N0060X100Y210；BC，线切割加工N0070X125Y134；CD，线切割加工N0080X205Y134；DE，线切割加工N0090X140Y87；EF，线切割加工N0100X165Y11；FG，线切割加工N0110X100Y58；GH，线切割加工N0120X35Y11；HI，线切割加工N0130X60Y87；IJ，线切割加工N0140X5Y134；JA，线切割加工N0150G00X0Y0；电极丝快速回原点N0160T85T87；关闭冷却液，停止走丝N0170M02；程序结束

11.3.4数控电火花线切割加工的特点除电火花加工的共性特点外，数控电火花线切割加工本身尚有以下一些特点：

1.只要输入编制好的数控加工程序，不必制作成型电极，便可加工各种形状的零件；

2.数控电火花线切割主要用于二维平面零件的加工，但如果采用四坐标数控电火花线切割机床(沿X、Y两坐标轴平移，绕X、Y两坐标轴转动)，也可加工锥面和复杂直纹扭曲面；

3.电极丝的直径很细，约为Ø0.025～Ø0.3mm，可切割微细异形孔、窄缝、小尖角、小内角、小圆角等复杂形状的零件，由于切缝小还可以进行套裁，故材料的利用率很高；

4.依靠数控技术中的刀具半径补偿功能，可以控制电极丝的轨迹和偏移计算，从而很方便地调整凹、凸模具的配合间隙；通过锥度切割功能，有可能实现凹、凸模具一次同时加工。

11.3.5数控电火花线切割加工的应用范围数控电火花线切割加工的应用范围十分广泛，归纳起来有以下几方面：

1.模具加工：可加工冲模的凹模、凸模、固定板、卸料板、粉末冶金模、镶拼型腔模、拉丝模、波纹板成形模、冷拔模等平面形状和立体形状的金属模具；

2.微细槽、缝、孔加工：可加工喷丝板异形孔、射流元件、激光器件等的微孔、细槽及窄缝等细部结构；

3.工具、量具加工：可加工成形刀具、样板等；

4.试制件及特殊零件加工：如电动机硅钢片定转子铁心加工，稀有、贵重金属切割加工，带有锥度型腔的电火花成型电极加工，以及穿孔加工、凸轮零件加工、材料试验样件加工，等等。(a)电火花加工产品(b)线切割加工产品加工产品实例

激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～1011W/cm2，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工(如图7-9所示)是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。11.4激光加工激光加工示意图11.4.2激光加工的特点

激光加工的特点主要有以下几个方面：

1.几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。

2.激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。

3.可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。

4.加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。

5.无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。(1)激光打孔(2)激光焊接(3)激光切割(4)激光表面热处理(5)其它应用激光切割原理图11.4.3激光加工的应用

11.4.4CLS-2000激光雕刻切割机

1．机床组成及其功能

CLS-2000激光雕刻切割机由激光源、机床本体、电源、控制系统四大部分组成，其外形如图11-11所示，其导光系统如图11-12所示，其操作面板如图11-13所示。2．机床按扭及功能1)启动切割2)启动雕刻3)启动位图4)显示3．基本操作步骤1)开机2)切割或雕刻3)关机。4．注意事项5．激光雕刻加工实例使用激光雕刻切割机加工的图案如图11-14所示。

11.5.1超声波加工的原理超声波加工是利用工具作超声频振动，通过磨料撞击与抛磨工件，从而使工件成形的一种加工方法，其工作原理如图11-15所示。超声波加工时，在工具和工件之间注入液体(水或煤油等)与磨料混合的悬浮液，工具对工件保持一定的进给压力，并作振幅为0.01～0.15mm、频率为16～30kHz的高频振荡，磨料在工具的超声振荡作用下，以极高的速度不断撞击工件表面，其冲击加速度可达重力加速度的一万倍左右，使工件在瞬时高压下产生局部破碎。由于悬浮液的高速搅动，又使磨料不断抛磨工件表面；随着悬浮液的循环流动，使磨料不断得到更新，同时带走被粉碎下来的材料微粒。超声波加工中，工具逐渐伸入到工件中，工具的形状便“复印”到工件上。11.5超声波加工图11-15超声波加工原理11.5.2超声波加工的特点

超声波加工具有如下特点：

1.适用于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如：玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但加工效率比较低。

2.在加工过程中不需要工具旋转，因此易于加工各种复杂形状的型孔、型腔、成型表面等。

3.超声波是靠极其微小的磨料作用进行加工，所以加工精度较高，一般可达0.02mm，表面粗糙度Ra可达1.25-0.1um，且被加工表面无残余应力，不易出现组织改变、表面烧伤等缺陷。

4.因为材料的去除是靠磨料直接作用，故磨料硬度一般应比加工材料高，而工具材料的硬度则可以大大低于被加工材料的硬度，如可采用中碳钢、型材、管材、线材等制作工具。

5.超声波加工机床的结构简单，操作、维修方便，加工精度较高，但生产效率较低，工具的磨损也较大。11.5.3超声波加工的应用电火花加工和电解加工方法，通常只能加工金属导电材料，较难加工不导电的非金属材料。然而超声波加工方法不仅能加工高熔点的硬质合金、淬火钢等硬脆合